磁鐵是一種可以吸引金屬(鐵鈷鎳等)的磁石,在生活中非常常見,幾乎所有的電子設(shè)備都要用到它們。
人體中是含有鐵的,其中大部分以鐵原子的形式存在于血紅蛋白中,擔(dān)負(fù)著運輸氧氣的職責(zé)。
既然磁鐵可以吸引鐵,那么你有沒有想過,是否存在一塊強有力的磁鐵可以將血液中的鐵吸走呢?
還有,我們是否可以制造出一種足夠強有力的磁鐵,以至于可以將身體中的每一個原子撕碎呢?
首先,磁鐵為什么會吸引鐵?
磁鐵之所以會吸引鐵,與鐵具有鐵磁性有關(guān),鐵磁性又稱作強磁性,它是指一種材料具有自發(fā)性磁化的現(xiàn)象。
鐵具有鐵磁性,這是因為每個鐵原子核外的四個未配對的電子具有量子構(gòu)型,從而產(chǎn)生了磁場,并使得每個鐵原子就像是一個微型的磁體。
這些具有磁性的鐵原子,磁極將會與外部磁體(比如是一塊磁鐵)保持一致,當(dāng)二者靠近時,由于磁極是相反的,所以會彼此吸引。
鐵原子核中的質(zhì)子和中子也有自己的磁場,但它們的磁場要比電子的弱的多,并且對原子的整體磁場沒有明顯影響。
鐵還具有大約1毫米寬的由磁排列的原子組成的磁疇,如果施加足夠強的磁場,所有磁疇中鐵原子的磁場也將對齊。
如果磁場施加的時間足夠長的話,即使外部磁場消失了,鐵中的磁疇也會保持方向的一致性,這意味著鐵被磁化,成了永久磁鐵。
磁疇
血液中的鐵原子能否被磁鐵吸走
如果血液中的鐵可以被磁鐵吸走,那我們以前玩磁鐵以及現(xiàn)在一直接觸電子設(shè)備的話就是相當(dāng)危險的。
但我們的身體并沒有什么問題,這是不是說明磁鐵無法吸引血液中的鐵?
不是這樣的,也有可能是磁力(場)太弱。
磁場強度的單位是高斯(Gs),1000高斯又等于1特斯拉(T),地球的磁場強度在0.25至0.24高斯之間。
稀土類磁鐵
自然界中性能最高的磁鐵是稀土類磁鐵,它們一般可以產(chǎn)生超過1.4特斯拉(1400高斯)的磁場。
但地球上最強的磁場并不是自然界中的哪種磁鐵產(chǎn)生的,而是“人造磁體”——電磁鐵產(chǎn)生的。
我們知道,運動的電荷可以產(chǎn)生磁場,電荷的數(shù)量和帶電量越多(即電流越強),產(chǎn)生的磁場也越強。
圖為:電磁鐵
基于此原理,我們可以設(shè)計出簡單的通電螺線管,而給它加根鐵芯的話就是一個簡易的電磁鐵了。
對于電磁鐵而言,一般的導(dǎo)線是有電阻的,這會使得通過導(dǎo)線的一部分能量會以熱能的形式損失。
這相當(dāng)于間接減小了磁場的強度,如果導(dǎo)線沒有電阻,那樣就能使磁場的強度最大化了,于是有了超導(dǎo)磁體。
超導(dǎo)磁體是一種由超導(dǎo)導(dǎo)線制成的電磁鐵,由于超導(dǎo)導(dǎo)線沒有電阻,因此維持磁場并不會消耗能量。
我們可能對超導(dǎo)磁體不是很熟悉,但它的應(yīng)用你一定聽說過,比如醫(yī)院里的核磁共振檢查,還有物理上的粒子加速器。
與我們要探討的問題有關(guān)的是核磁共振(MRI),超導(dǎo)磁體可在MRI機(jī)器中產(chǎn)生15000至94000高斯的磁場。
將人體安置在這個巨大的磁場后,利用電磁波刺激人體,再用偵測器收集人體釋放出的回波。
再經(jīng)過多次復(fù)雜化刺激——回波后,便可以依據(jù)這些資料重組出具有高解析度的影像,這就是核磁共振的簡單原理。
所以,當(dāng)你在做核磁共振檢查的時候,其實可以說是處于地球上最強大的磁場當(dāng)中,但是即便是如此強的磁場,你的血液中的鐵原子仍然沒有被吸引。
為什么如此強的磁場也不會對人體中的鐵產(chǎn)生影響呢?
其實,磁場的確對鐵原子產(chǎn)生了吸引力的,但是這種吸引力被磁場對其他原子的排斥力抵消掉了。
首先,鐵是人體中的微量元素,整個人體內(nèi)的鐵只有3.5克左右,而血液中的鐵僅有2克,而且是極為分散的,這就使得引力相對而言是十分弱的。
其次,也是更主要的原因是,鐵原子具有順磁性,而水分子,氧原子等具有抗磁性,血液中水遠(yuǎn)多于鐵,血紅蛋白中的氧原子也多于鐵原子,所以最終結(jié)果是鐵不會被吸走。
貧氧的血紅蛋白可能會被磁體輕微吸引,但要達(dá)到把鐵原子直接從血紅蛋白中吸走是不可能的。
血液中的鐵不怕被磁場影響,隨身帶的金屬物品卻會在磁強中以極高速度沖撞,這是十分危險的,所以做核磁共振前一定要檢查身上是否有金屬物品。
宇宙最強磁體——磁星
地球上的磁場無法對人體造成影響,那么宇宙中是否存在更具威力的強大磁場呢?這個還真有,那就是中子星。
中子星是恒星演化到末期,經(jīng)由引力坍縮發(fā)生超新星爆炸之后,可能成為的最終形態(tài)之一。
一顆典型的中子星質(zhì)量大約是太陽的1.35倍到2.1倍,半徑卻只有太陽的30000到70000分之一。
由于中子星保留了母恒星大部分的角動量,而它的半徑卻極其的小,所以它將會以極高的速度旋轉(zhuǎn)。
在高速旋轉(zhuǎn)的中子星表面會形成電流,從而會產(chǎn)生一個磁場強度高達(dá)1億特斯拉的超強磁場!
在某些情況下,磁場強度甚至可以達(dá)到1000億特斯拉,這些磁場極強的中子星又被稱作“磁星”。
在距磁星1000公里的范圍內(nèi),其強大的磁場足以置人于死地,水分的抗磁性可把細(xì)胞組織撕碎。
對于一顆質(zhì)量是太陽的1.4倍的磁星,在1000公里范圍內(nèi),它的潮汐力也足以把一個人撕成兩半。
如果再近一點,在幾百公里的范圍內(nèi),那它會把你身上的化學(xué)鍵一個個撕斷,從而瓦解你掉的身體。
在這種時候,是氧原子還是鐵原子還是水分子都已經(jīng)不重要了。
最后
人類是否能制造出磁場與磁星相當(dāng)?shù)拇盆F呢?
不是沒有可能,但難度是相當(dāng)大的,而且如何保障安全性也是需要謹(jǐn)慎考慮的。
一旦真的出現(xiàn)這種危險可控的超級磁鐵,那我們的生活一定會發(fā)生重大改變。
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